Dentre os resíduos da agroindústria brasileira, a vinhaça, efluente da produção de etanol, se destaca por ser produzida em grande volume e ser altamente poluente. Por apresentar elevada concentração de nutrientes, sua principal aplicação tem sido a fertirrigação da lavoura canavieira, prática que pode causar impactos adversos ao solo e recursos hídricos. Uma alternativa promissora é sua utilização como meio de cultura na produção de biomassa de microalgas, as quais produzem lipídios conversíveis a biodiesel, sendo necessária a redução da concentração de partículas causadoras de cor e turbidez, proporcionando melhoria das condições de entrada de luz nos fotobiorreatores. Nesse sentido, o presente trabalho propôs a utilização das técnicas de coagulação, floculação e sedimentação para a clarificação da vinhaça, visando sua adequação ao cultivo de microalgas. Na etapa I foram investigados os coagulantes cloreto férrico, sulfato de alumínio, hidróxido de cálcio, tanino e cinco polímeros sintéticos, em diferentes concentrações e faixas de pH, visando-se as maiores remoções de cor e turbidez. Nas dosagens empregadas, os coagulantes cloreto férrico e sulfato de alumínio não apresentaram desempenho satisfatório. Os melhores resultados foram obtidos com o uso do polímero catiônicoLAB TAE 409, o qual proporcionou reduções de 22% da cor e 78% da turbidez (com relação à vinhaça pré-centrifugada), mesmo em baixas dosagens (20 mg/L). Na etapa II foram realizados ensaios em jarteste, onde foram determinados a melhor temperatura (30ºC), a dosagem de polímero LAB TAE 409 (20 mg/L), o pH (~4,70, sem ajuste) e os parâmetros de mistura e sedimentação (TML = 5 min, GML = 60 s-1 e VSED = 1 cm/min), os quais proporcionam as maiores reduções de cor (76%) e turbidez (96%), com relação à vinhaça bruta. A partir do melhor tratamento definido na etapa II, a vinhaça foi empregada como meio para o cultivo da microalga Chlorella vulgaris (etapa III), conforme seguintes proporções: V1 (90% vinhaça tratada / 10% inóculo), V2 (45% vinhaça tratada / 45% água deionizada / 10% inóculo), V3 (5% vinhaça tratada / 85% água deionizada / 10% inóculo), comparados ao cultivo em meio padrão WC. Embora menores que os crescimentos (biomassa) obtidos no cultivo em meio padrão WC, os meios constituídos de vinhaça pré-tratada proporcionaram crescimento de Chlorella vulgaris, com velocidades específicas de crescimento próximas ao meio WC, indicando seu potencial uso na obtenção de biomassa dessa espécie de microalga. / Among the brazilian agro-industrial residues, vinasse, effluent from ethanol production, stands out for being produced in large volume and can be highly pollutant. Presenting high concentration of nutrients, its main application has been the irrigation of sugarcane, a practice that may cause adverse impacts to soil and water resources. A promising alternative is to use the vinasse as the culture medium for microalgal biomass production, which produce lipids convertible to biodiesel. Therefore, it is required an adaptation to this type of cultivation, mainly, through the reduction of the concentration of particles that cause turbidity and color, providing improved lighting conditions in photobioreactors. In this way, this work proposed the use of the coagulation, flocculation and sedimentation techniques for clarifying vinasse, aiming the cultivation of microalgae. In step I were investigated the coagulants ferric chloride, aluminum sulfate, calcium hydroxide, tannin and five synthetic polymers, at different concentrations and pH ranges, aiming at the highest color and turbidity removal. In the dosages investigated, ferric chloride and aluminum sulfate did not show satisfactory performance. The best results were obtained with use of the cationic polymer LAB TAE 409, which provided a 22% reduction of color and 78% of turbidity (relative to vinasse pre-centrifuged), even at low dosages (20 mg/L). In step II, tests were carried out in jartest, which were determined the best temperature (30 ºC), the polymer LAB TAE 409 dosage (20 mg/L), pH (~ 4.70, without adjustment), and the mixing and sedimentation parameters (TML = 5 min, GML = 60 s-1 VSED = 1 cm/min), which provided the major reductions in color (76%) and turbidity (96%), relative to the raw vinasse. From the best treatment defined in step II, vinasse was used as medium for the cultivation of microalgae Chlorella vulgaris (stage III), according to the following proportions: V1 (90% treated vinasse / 10% inoculum), V2 (45% vinasse treated / deionized water 45% / 10% inoculum), V3 (5% vinasse treated / deionized water 85% / 10% inoculum), compared to standard WC medium. Although lower than the growths (biomass) obtained in culture using WC, the mediums with pretreated vinasse have provided the growth of Chlorella vulgaris, with specific growth rates near the WC medium, indicating its potential use for obtaining this microalgal biomass.

Este projeto de pesquisa visou à investigação do desempenho do reator UASB (10 L de volume) no tratamento da vinhaça quando submetido a aumento progressivo da carga orgânica em condições termofílicas. A carga orgânica afluente média foi de 2,79 gDQO/L.dia (desvio de 1,5 gDQO/L.dia) e média efluente bruto de 1,24 gDQO/L.dia (desvio de 0,93 gDQO/L.dia). A operação atingiu o limite de carregamento de 6,5 gDQO/L.dia, limitado pela produção excessiva de ácidos voláteis totais que atingiram concentrações da ordem de 1.200 mgHac/L, tóxicas para biomassa metanogênica. A adaptação do lodo mesofílico às condições termofílicas ocorreu no período de 55 dias, que pode ser considerado um período curto. A operação com ácidos orgânicos para enriquecimento do lodo não se mostrou eficaz, com acúmulo desses ácidos para a COV de 10 gDQO/L.dia. A operação com etanol mostrou-se eficaz para a recuperação do lodo, com COV de 8,0 gDQO/L.dia, obtendo-se eficiência máxima de remoção de DQO de 80%. As eficiências máximas na operação foram durante a adaptação do lodo, com COV de 1,20 gDQO/L.dia (92,0%) e durante a operação do sistema, com COV de 3,50 gDQO/L.dia (83,0%). O TDH médio desenvolvido neste trabalho foi de 1,34 dias. Este dado levantou questionamentos a respeito de um TDH ótimo utilizado para este tipo de tratamento, devido a grande variação de TDHs encontrados na literatura em trabalhos correlatos (entre 1,0 e 6,5 dias). / This research project had the objective to investigate the performance of the UASB reactor (10 L of volume) in the vinasse treatment submitted to progressive organic loadings under thermophilic conditions. The organic matter upload average was 2,79 gDQO/L.day (standard deviation of 1,5 gDQO/L.day) and the full organic matter average was 1,24 gDQO/L.dia (standard deviation of 0,93 gDQO/L.day). The operation reached the organic limit loading in 6,5 gCOD/L.day, limited by the excessive production of total volatile acids that reached concentrations beyond 1.200 mgHac/L, toxic to metanogenic biomass. Adaptation of mesophilic sludge to thermophilic conditions occurred in a period of 55 days, what can be considered a short period. The operation with organic acids for sludge enrichment did not seem to be efficient, accumulating these acids in a 10 gCOD/L.day. The operation with ethanol seemed to be efficient for sludge recuperation, of 8,0 gCOD/L.day, reaching maximum COD reduction efficiencies of 80%. The maximum operation efficiency was during sludge adaptation with 1,20 gCOD/L.day (92,0%) and during operation system, with 3,50 gCOD/L.day (83%). The HDT average developed in this research was 1,34 days. These data bring questions about the HDT optimum for this kind of anaerobic treatment, in correlation with significant variation of HDT used in another studies in the literature (between 1,0 and 6,5 days of HDT).

Orientador: Edson Tomaz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T11:50:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_GaelSilviadaPenarandaLiendo_M.pdf: 1790276 bytes, checksum: 90826b2d5250dff1e3a227a40e99867c (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, gerando 671,71 milhões de toneladas por ano, estimados pela Companhia Nacional de Abastecimento¿ CONAB (Safra 2014/2015). É o 2º produtor mundial de etanol, sendo responsável por 20% da produção mundial e 20% das exportações mundiais, o que foi motivado pela expansão das áreas cultivadas e a maior utilização de fertilizantes, entre os quais, o emprego de fertilizantes nitrogenados para aumentar a produtividade. Atualmente, procura-se reduzir as emissões dos gases de efeito estufa (GEE) causadores do aquecimento global, o que justifica o atual esforço internacional na substituição dos combustíveis fósseis por fontes de energia limpa, como o etanol da cana-de-açúcar. Não obstante, o uso de fertilizantes (vinhaça e ureia) é necessário para a produção de etanol de cana, os quais significam aumento na emissão de GEE do sistema, especialmente do óxido nitroso. O Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas (IPCC, 2006) apontou que cerca de 1% do fertilizante nitrogenado utilizado em plantações seria emitida à atmosfera na forma de óxido nitroso, mas os fatores propostos parecem ser elevados para condição tropical. A realização deste trabalho teve como objetivo estimar os fatores de emissão do óxido nitroso num canavial a partir do período que vai do plantio a colheita da cultura de cana-de-açúcar, onde foram aplicados fertilizantes como a ureia e resíduos orgânicos como a vinhaça. O experimento foi instalado em cana de primeira soca, executado na fazenda Areão da ESALQ-USP, em Piracicaba ¿ SP, em delineamento em blocos ao acaso com 5 tratamentos (T1:Vinhaça in natura, T2:Vinhaça+ ureia, T3:Vinhaça concentrada, T4:Ureia e T5:Testemunha) e 6 repetições. Câmaras estáticas foram instaladas nas parcelas para monitoramento do óxido nitroso (N2O), sendo realizadas coletas de gases nas câmaras no período de dezembro de 2012 a novembro de 2013. Observou-se maiores fluxos nos 3 primeiros meses após aplicação dos tratamentos para os que receberam vinhaça e N-fertilizante. Os maiores fluxos foram associados à adição de ureia, provavelmente em função da dose de nitrogênio aplicada. No entanto, o fator de emissão do fertilizante (ureia) ficou em 0,18 %, menor do que estimado pelo IPCC. Quando a vinhaça foi aplicada junto com o fertilizante, e com grande quantidade de palha no solo, o fator de emissão chegou a 0,14%. Todavia, o uso da vinhaça concentrada mostrou-se como uma alternativa menos sustentável com um fator de emissão de 0,59 %. Observando em maior detalhe os efeitos na emissão de N2O pela aplicação da vinhaça e fertilizante nitrogenado, houve influência significativa de parâmetros do solo (NO3, C solúvel e umidade). Palavras- chave: Cana de açúcar, Fertilizante, Gás de efeito estufa, Vinhaça / Abstract: Brazil is the biggest producer of sugar cane in the world, generating 671.71 million tons per year, estimation by the National Society of Supply - CONAB (2014/2015 Harvest). The country is the 2nd biggest producer of ethanol, accounting for 20% of world production and 20% of world exports, this was driven by the expansion of cultivated areas and the increased use of fertilizers, among them, the use of nitrogen fertilizers. Currently, there are attempts to reduce emissions of greenhouse gases (GHG) that cause global warming, which explains the current international effort to replace fossil fuels by clean energy sources such as the ethanol from cane sugar. However, the use of fertilizers such as urea and vinasse is required for the production of sugar cane ethanol, which means increased GHG system emission, especially nitrous oxide. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2006) found out that about 1% of the nitrogen fertilizer used in plantations is emitted to the atmosphere as nitrous oxide, but the proposed factors appear to be higher for tropical condition. This article aimed to estimate the emission factors of nitrous oxide from a cane crop, from the planting to the harvest, where urea and organic waste such as vinassewere applied. The experiment was carried out using cane first leaf, it took place at Areão farm ESALQ-USP, in Piracicaba - SP, in randomized blocks using 5 different treatments (T1: Vinasse in natura, T2: Vinasse + urea, T3: Concentrated vinasse, T4: Urea and T5: Witness) and 6 replications. Static cameras were installed in the parcels for monitoring the nitrous oxide (N2O) gas collections were held in the chambers from December 2012 to November 2013. There were greater flows in the first 3 months after the application ofvinasse and N fertilizer. The largest flows were associated with the addition of urea, probably because of the applied nitrogen rate. However, the fertilizer emission factor (urea) was 0.18%, lower than the estimated by the IPCC. When vinasse was applied with fertilizer, using a big amount of straw in the soil, the emission factor reached 0.14%. However, the use of concentrated vinasse proved to be a less sustainable alternative with a 0.59% emission factor. Observing more deeply the effects of N2O emissions, by the application of vinasse and nitrogen fertilizer, a significant influence on soil parameters was shown (NO3, C soluble and humidity). Key words: Sugarcane, fertilizer, greenhouse gas, Vinasse / Mestrado / Engenharia de Processos / Mestra em Engenharia Química

La vinasse est le déchet liquide retiré de la base de colonnes de distillation de l'éthanol de canne à sucre à hauteur de 12 à 15 litres par litre d'alcool, ce qui entraîne une production estimée à environ 350 milliards de litres en 2012/2013 au Brésil. La vinasse a un pH faible et une forte demande chimique en oxygène, ce qui peut provoquer la désertification des terres, si elle est utilisée en excès comme amendement. En outre, une contamination des eaux souterraines liée aux épandages est observée dans certaines régions. L'aptitude de la vinasse à jouer le rôle de source d'éléments nutritifs pour la production de biohydrogène et d'acides gras volatils par des consortia microbiens anaérobies a été évaluée. Deux différents milieux à base de vinasse ont été proposés, un avec l’addition de jus de canne à sucre et l’autre avec l’addition de la mélasse comme source de carbone, et ont été comparés à un milieu supplémenté en saccharose. Des cultures bactériennes pures (4) et des consortia microbiens (7) ont été cultivées dans les milieux proposés et la production des acides gras volatils (AGV) et de biohydrogène ont été evalués. Le consortium LPBAH1, originaire d’un lac d’une ferme laitière et sélectionné pour la fermentation de la vinasse avec du jus de canne à sucre, conduit à un rendement en H2 de 7,14 molH2/molsucrose et à une teneur en hydrogène dans le biogaz d'env. 31% après optimisation. Par ailleurs, le processus optimisé en utilisant le consortium LPBAH2, originaire de fèces de chauves-souris frugivores, permet d'obtenir 3,66 molH2/molsucrose et 32,7% d'hydrogène dans le biogaz. Le processus proposé est d'une grande importance pour donner une destination plus rationnelle de la vinasse et d'élargir le bouquet énergétique brésilien en réduisant sa dépendance des combustibles fossiles. / Vinasse is the liquid waste removed from the base of sugarcane ethanol distillation columns at a ratio of 12-15 liters per liter of alcohol, resulting in an estimated production of approx. 350 billion liters in 2012/2013 in Brazil. Vinasse has a low pH and high chemical oxygen demand, which can cause land desertification when indiscriminately used as fertilizer. Also, underground water contamination is being observed in some regions. We evaluated the potential of vinasse as nutrient source for biohydrogen and volatile fatty acids production by means of anaerobic consortia. Two different vinasse-based media were proposed, using sugarcane juice or molasses as carbon source, and were compared to fermentation in a sucrosesupplemented medium. Pure cultures (4) and consortia (7) were cultured in the propose media and evaluated for volatile fatty acids (VFAs) and biohydrogen production. The consortium LPBAH1, originated from faeces of fruit bat, was selected for fermentation of vinasse supplemented with sugarcane juice and resulted in a higher H2 yield of 7.14 molH2/molsucrose and hydrogen content in biogas of approx. 31% after process optimization. Similarly, the optimized process using the consortium LPBAH2, originated from a lake of a dairy farm, resulted in 3.66 molH2/molsucrose and 32.7% hydrogen content in biogas. The proposed process is of great importance for giving a more rational destination to vinasse and expanding Brazilian energy matrix, reducing the dependence of fossil fuels.

A vinhaça é um dos resíduos da produção de etanol, considerada de elevada capacidade poluidora. Estima-se que para cada litro de etanol produzido, produz-se entre 10 até 15 litros de vinhaça. Porém, este mesmo subproduto pode ser utilizado para geração de eletricidade, fertilizantes, biogás e obtenção de créditos de carbono a partir de biodigestores e concentradores. Logo, a vinhaça pode vir a contribuir para um incremento na geração de energia elétrica e de outros produtos para fomento de renda para o setor sucroenergético e resolver o problema ambiental no que se refere ao descarte in natura. Ante o exposto, justifica-se um estudo sobre a utilização da vinhaça, norteada pela problemática: qual a viabilidade econômica, ambiental e energética da utilização do biodigestor IC, concentrador de vinhaça e o conjugado de ambos? O objetivo geral foi analisar a viabilidade energética, ambiental e econômica da utilização de vinhaça em concentradores, biodigestores IC e em ambos para geração de eletricidade, fertilizantes e créditos de carbono. Para responder à pergunta, a metodologia utilizada na pesquisa foi a análise de viabilidade econômica, aonde foi calculado o VPL, TIR, payback e o payback descontado. Sendo qual foi calculado o consumo anual de Diesel no transporte de vinhaça biodigerida e concentrada, balanço de energia no consumo de Diesel e gerada pelo biogás por ano, balanço de geração e consumo de eletricidade e equivalente populacional de geração de eletricidade de vinhaça e, por fim, a análise ambiental, aonde foi calculado o equivalente populacional de vinhaça biodigerida e concentrada, balanço de emissão e mitigação de NOx, SOx e CO2 eq. pelo concentrador, transporte de vinhaça concentrada, ambas as três análises para uma faixa de produção de etanol de 500 até 4.000 m3/dia, como também para estados brasileiros produtores desse combustível. Como resultado pode-se constatar que os fertilizantes têm importância na viabilidade econômica dos biodigestores IC e concentradores de vinhaça, em cenários sem isenções tributárias e taxa mínima de atratividade 15% a.a. A eletricidade por si só terá viabilidade em cenário com baixa taxa mínima de atratividade de 11% e isenções fiscais. No que se refere a análise energética, destacam-se os resultados do biodigestor IC nas dimensões equivalente populacional e balanço de geração e consumo de eletricidade e na análise ambiental destaca-se o conjugado biodigestor IC e concentrador para as dimensões equivalente populacional e dióxido de carbono equivalentes emitidos e mitigados. Pode-se constatar a partir dos resultados alcançados e da revisão bibliográfica realizada os seguintes cenários desfavoráveis em potêncial para reutilização de vinhaça: baixo preço do MWh tanto no ACR quanto no ACL, incipiência no mercado de eletricidade, elevado investimento em transmissão, ausência de políticas públicas de incentivo a utilização de matéria orgânica proveniente da agropecuárias, ausência de políticas públicas de incentivo a utilização de energias renováveis, experiências não exitosas pelas usinas de utilização de vinhaça para produção de biogás, biodigestores em processo de consolidação tecnológica, incapacidade de financiamento do setor sucroenergético, preço dos concentradores de vinhaça, omissão legislativa referente ao descarte de vinhaça e descapitalização das usinas sucroenergeticas. / Vinasse is one of the residues from the production of ethanol, considered polluting high capacity. It is estimated that for every liter of ethanol produced, produces between 10 to 15 liters of vinasse. However, this same byproduct can be used for generating electricity, fertilisers, biogas and obtaining carbon credits from bio-digesters and concentrators. Soon, vinasse might contribute to an increase in the generation of electricity and other products to promote income for the sugar-energy sector and solve the environmental problem as regards disposal in natura. Against the above, if a study on the use of vinasse, guided by the problem: what is the economic viability, environmental and energy use of the biodigestor, vinasse concentrator and the conjunction of both? The overall objective was to analyze the energy, environmental and economic feasibility of the use of vinasse in hubs, biodigestors IC and in both for electricity generation, fertilizer and carbon credits. To answer, the methodology used in the research was the economic feasibility analysis, where it was calculated the NPV, IRR, payback and discounted payback. Being what was calculated the annual Diesel consumption of biodigerida and concentrated vinasse, energy balance in the consumption of Diesel and biogas generated per year, generation and balance electricity consumption and electricity generation population equivalent of vinasse and, finally, the environmental analysis, where it was calculated the population equivalent of biodigerida and concentrated vinasse emission and mitigation balance of NOx, SOx and CO2 eq. by concentrator, concentrated vinasse transport, both three analysis for a range of ethanol production from 500 to 4,000 m3/day, as well as to the Brazilian States that fuel producers. As a result one can note that fertilizers have importance in the economic viability of bio-digesters IC and vinasse concentrators, in scenarios without tax exemptions and minimum rate of 15% p.a. attractiveness The electricity itself will have viability in scenario with lower minimum rate of 11% attractiveness and tax exemptions. With regard to energy analysis, include the results of the biodigestor IC equivalent dimensions of population and balance of generation and electricity consumption and environmental analysis is the conjugate biodigestor IC and concentrator for the dimensions and equivalent carbon dioxide equivalent emitted and mitigated. You can see from the results achieved and the literature review carried out the following unfavourable scenarios on potential for reuse of vinasse: low price of MWh in both the ACR and the ACL, the effects on the market of electricity, high investment in transmission, absence of public policies to encourage the use of organic matter from the cattle-breeding, absence of public policies to encourage the use of renewable energy , not successful experiences through the use of vinasse plants for production of biogas, biodigesters consolidation technology, inability to finance the sugar ethanol sector, price of vinasse concentrators, legislative omission concerning the discharge of vinasse and decapitalization of sucroenergeticas plants.

L’industrie, quel que soit son domaine d’activité, produit une quantité importante d’effluents chargés, couramment appelés coproduits. La gestion et le traitement de ces eaux usées sont aujourd’hui strictement encadrés car leurs propriétés physiques et leurs compositions chimiques interdisent leurs rejets directs vers le milieu naturel. Cependant, la présence en forte concentration de certains éléments valorisables tels que les sels minéraux ou des composés organiques dans certains de ces effluents, leurs confèrent alors de nouvelles propriétés qui trouvent échos dans diverses applications (fertilisation des sols, alimentation animale, méthanisation, co-compostage, etc.). Le carbone étant le constituant majoritaire de tout combustible, une valorisation thermique par combustion en chaudière biomasse des effluents organiques semble être une alternative envisageable. L’objet de cette thèse est l’étude de cette voie de valorisation énergétique et de la faisabilité de cette application. Du fait de leur état liquide, les effluents seuls sont de mauvais combustibles comparés aux biomasses standards (plaquettes forestières, paille, etc.). Les travaux de recherche se concentrent donc sur l’étude et la caractérisation de biomasses en tant que support d’imprégnation, puis sur la formulation d’un co-combustible homogène imprégné d’un effluent organique industriel. Les biomasses sont en effet connues dans la littérature pour avoir des propriétés d’adsorption et d’absorption intéressantes. Une étude paramétrique à l’échelle du laboratoire a été menée afin de quantifier la capacité d’imprégnation et la sélectivité de différents types de biomasse vis-à-vis de l’effluent choisi. Le but était également de déterminer les paramètres qui influençaient l’imprégnation afin de modéliser les phénomènes. Suite à cela, des essais à l’échelle pilote sur une installation de combustion de 40 kW ont été effectués en vue de vérifier la conformité des combustibles imprégnés en termes d’émissions à la cheminée et dans l’optique de préparer le changement d’échelle pour une potentielle application industrielle. / Important amounts of organic effluents, also called wastewaters or byproducts, are produced whatever the type of industry which is considered. Nowadays, the wastewaters management and treatment are strictly controlled since the physical properties and the chemical composition of these byproducts disallow the direct reject through natural media. However, the presence of some specific compounds confers to effluents new advantages and opens the door to several applications (such as soil fertilization, cattle feed, methanization, co-composting, etc.). Carbon being the main component of every fuel, the thermal valorization of these organic effluents by combustion in a standard biomass boiler seems to be possible. The study of this recovery method and its feasibility are the subjects of the thesis here. Due to their liquid state, effluents alone cannot be considered as fuels compared to standard biomass (woodchips, straw, etc.). Therefore research works are focused on study and characterization of biomasses as impregnation base, then formulation of fuels impregnated with an industrial organic effluent. Indeed, the adsorptive and absorptive properties of biomasses are well-known in the literature. A parametric study at laboratory scale was carried out in order to quantify the impregnation capacity of different types of biomass regarding the effluent. The main goal was also to highlight the parameters which influence the impregnation in order to modeling the phenomenon. Then impregnation and combustion tests were performed at pilot scale using a biomass boiler of 40 kW to ensure the conformity of impregnated fuels in terms of stack emissions. This part of the work was conducted with the perspective of preparing the process scale-up for a potential industrial utilization.

A vinhaça é um dos resíduos da produção de etanol, considerada de elevada capacidade poluidora. Estima-se que para cada litro de etanol produzido, produz-se entre 10 até 15 litros de vinhaça. Porém, este mesmo subproduto pode ser utilizado para geração de eletricidade, fertilizantes, biogás e obtenção de créditos de carbono a partir de biodigestores e concentradores. Logo, a vinhaça pode vir a contribuir para um incremento na geração de energia elétrica e de outros produtos para fomento de renda para o setor sucroenergético e resolver o problema ambiental no que se refere ao descarte in natura. Ante o exposto, justifica-se um estudo sobre a utilização da vinhaça, norteada pela problemática: qual a viabilidade econômica, ambiental e energética da utilização do biodigestor IC, concentrador de vinhaça e o conjugado de ambos? O objetivo geral foi analisar a viabilidade energética, ambiental e econômica da utilização de vinhaça em concentradores, biodigestores IC e em ambos para geração de eletricidade, fertilizantes e créditos de carbono. Para responder à pergunta, a metodologia utilizada na pesquisa foi a análise de viabilidade econômica, aonde foi calculado o VPL, TIR, payback e o payback descontado. Sendo qual foi calculado o consumo anual de Diesel no transporte de vinhaça biodigerida e concentrada, balanço de energia no consumo de Diesel e gerada pelo biogás por ano, balanço de geração e consumo de eletricidade e equivalente populacional de geração de eletricidade de vinhaça e, por fim, a análise ambiental, aonde foi calculado o equivalente populacional de vinhaça biodigerida e concentrada, balanço de emissão e mitigação de NOx, SOx e CO2 eq. pelo concentrador, transporte de vinhaça concentrada, ambas as três análises para uma faixa de produção de etanol de 500 até 4.000 m3/dia, como também para estados brasileiros produtores desse combustível. Como resultado pode-se constatar que os fertilizantes têm importância na viabilidade econômica dos biodigestores IC e concentradores de vinhaça, em cenários sem isenções tributárias e taxa mínima de atratividade 15% a.a. A eletricidade por si só terá viabilidade em cenário com baixa taxa mínima de atratividade de 11% e isenções fiscais. No que se refere a análise energética, destacam-se os resultados do biodigestor IC nas dimensões equivalente populacional e balanço de geração e consumo de eletricidade e na análise ambiental destaca-se o conjugado biodigestor IC e concentrador para as dimensões equivalente populacional e dióxido de carbono equivalentes emitidos e mitigados. Pode-se constatar a partir dos resultados alcançados e da revisão bibliográfica realizada os seguintes cenários desfavoráveis em potêncial para reutilização de vinhaça: baixo preço do MWh tanto no ACR quanto no ACL, incipiência no mercado de eletricidade, elevado investimento em transmissão, ausência de políticas públicas de incentivo a utilização de matéria orgânica proveniente da agropecuárias, ausência de políticas públicas de incentivo a utilização de energias renováveis, experiências não exitosas pelas usinas de utilização de vinhaça para produção de biogás, biodigestores em processo de consolidação tecnológica, incapacidade de financiamento do setor sucroenergético, preço dos concentradores de vinhaça, omissão legislativa referente ao descarte de vinhaça e descapitalização das usinas sucroenergeticas. / Vinasse is one of the residues from the production of ethanol, considered polluting high capacity. It is estimated that for every liter of ethanol produced, produces between 10 to 15 liters of vinasse. However, this same byproduct can be used for generating electricity, fertilisers, biogas and obtaining carbon credits from bio-digesters and concentrators. Soon, vinasse might contribute to an increase in the generation of electricity and other products to promote income for the sugar-energy sector and solve the environmental problem as regards disposal in natura. Against the above, if a study on the use of vinasse, guided by the problem: what is the economic viability, environmental and energy use of the biodigestor, vinasse concentrator and the conjunction of both? The overall objective was to analyze the energy, environmental and economic feasibility of the use of vinasse in hubs, biodigestors IC and in both for electricity generation, fertilizer and carbon credits. To answer, the methodology used in the research was the economic feasibility analysis, where it was calculated the NPV, IRR, payback and discounted payback. Being what was calculated the annual Diesel consumption of biodigerida and concentrated vinasse, energy balance in the consumption of Diesel and biogas generated per year, generation and balance electricity consumption and electricity generation population equivalent of vinasse and, finally, the environmental analysis, where it was calculated the population equivalent of biodigerida and concentrated vinasse emission and mitigation balance of NOx, SOx and CO2 eq. by concentrator, concentrated vinasse transport, both three analysis for a range of ethanol production from 500 to 4,000 m3/day, as well as to the Brazilian States that fuel producers. As a result one can note that fertilizers have importance in the economic viability of bio-digesters IC and vinasse concentrators, in scenarios without tax exemptions and minimum rate of 15% p.a. attractiveness The electricity itself will have viability in scenario with lower minimum rate of 11% attractiveness and tax exemptions. With regard to energy analysis, include the results of the biodigestor IC equivalent dimensions of population and balance of generation and electricity consumption and environmental analysis is the conjugate biodigestor IC and concentrator for the dimensions and equivalent carbon dioxide equivalent emitted and mitigated. You can see from the results achieved and the literature review carried out the following unfavourable scenarios on potential for reuse of vinasse: low price of MWh in both the ACR and the ACL, the effects on the market of electricity, high investment in transmission, absence of public policies to encourage the use of organic matter from the cattle-breeding, absence of public policies to encourage the use of renewable energy , not successful experiences through the use of vinasse plants for production of biogas, biodigesters consolidation technology, inability to finance the sugar ethanol sector, price of vinasse concentrators, legislative omission concerning the discharge of vinasse and decapitalization of sucroenergeticas plants.

La vinasse est un effluent aqueux issu des distilleries d'éthanol produit à partir de mélasse de canne à sucre, caractérisé par une couleur intense, une forte Demande Chimique en Oxygène (DCO) et un faible Demande Biologique en Oxygène (DBO). Le traitement de ce type d'effluent par Oxydation en Voie Humide (OVH) a fait l'objet d'une étude sur catalyseurs métaux nobles supportés sur TiO2 ou ZrO2 à 190-210°C sous 50-70 bar d'air. L'addition de catalyseurs au Ru permet la minéralisation complète de la partie carbone des polluants modèles (saccharose, polyéthylène glycol, mélanoïdine) ou des effluents réels (vinasse de Cognac et vinasse de canne); les catalyseurs au Pt sont également très efficaces, mais ne convertissent que très peu l'acide acétique formé intermédiairement. Dans ces conditions, l'azote sous forme organique est converti en ammonium. Alors qu'en l'absence de catalyseur, les ions ammonium sont stables, l'addition d'un catalyseur est capable de convertir l'ammonium en diazote et nitrate. Les sélectivités relatives en N2 et NO3 - dépendent des conditions oxydantes de la réaction (quantité d'azote à traiter par rapport à la quantité de métal actif). De manière générale, le platine se révèle plus sélectif en diazote. Une lixiviation des métaux a été détectée au démarrage des réactions d'OVHC des effluents à cause de l'azote sous forme organique ; elle diminue et disparaît au fur et à mesure de la minéralisation de l'azote et le métal se redépose sur le solide catalytique. Les essais en réacteur continu confirment les observations en réacteur batch / Vinasse is an aqueous effluent originating from ethanol production process from sugarcane. It is a dark brown effluent with an extremely high COD and a low BOD. The treatment of this type of effluent by wet air oxidation (WAO) was the subject of this study using noble metal catalysts supported on TiO2 and ZrO2 at 190-210 ° C under 50-70 bar air. The addition of Ru catalysts allowed the complete mineralization of the organic model pollutants (sucrose, polyethylene glycol, melanoidin) or the real effluents (cognac vinasse and cane vinasse); the Pt catalysts were also very effective, but acetic acid was formed as an intermediate which was difficult to be converted. Under these conditions, the organic nitrogen was converted to ammonium. Whereas in the absence of catalyst, the ammonium ions were stable, the addition of a catalyst was capable of converting ammonium to dinitrogen and nitrate. The selectivity to N2 and NO3 - depended on the oxidizing reaction conditions (molar ratio nitrogen/metal). In general, platinum proved to be more selective to dinitrogen. Metal leaching was detected upon CWAO of effluents containing organic nitrogen. The leaching decreased and disappeared as nitrogen was mineralised and the dissolved metal redeposited on the solid catalyst. The continuous reactor tests confirmed the observations in the batch reactor

Este trabalho apresenta uma avaliação da produção de metano em um reator anaeróbio operado em batelada sequencial com biomassa imobilizada em suporte inerte (AnSBBR) pela codigestão de vinhaça de cana-de-açúcar e soro de queijo em condições mesofílicas. A avaliação é realizada com base na influência da variação dos aspectos operacionais de estratégia de alimentação (batelada ou batelada alimentada), interação entre tempo de ciclo (8, 6 ou 4 h) e concentração afluente (5000, 3750 ou 2500 mgDQO.L-1), carga orgânica volumétrica aplicada (5, 7,5, 10 ou 15 gDQO.L-1.d-1) e temperatura (25, 30 e 35ºC) sobre a estabilidade e desempenho do sistema. O AnSBBR com recirculação da fase líquida e volume reacional de 3,0 L foi operado por 186 dias, sendo o afluente para todos os ensaios composto por 75 % vinhaça e 25 % soro (massa/volume) e suplementado com bicarbonato de sódio. Nas condições operadas, o sistema demonstrou flexibilidade quanto à estratégia de alimentação, porém a redução do tempo de ciclo e da concentração afluente, para a mesma carga, resultou em menores produções de metano. Por outro lado, o aumento da carga orgânica, até o valor de 15 gDQO.L-1.d-1, favoreceu o processo, aumentando o rendimento de metano por DQO removida e a produtividade. A redução da temperatura de 30 para 25 ºC resultou na queda do desempenho, porém às temperaturas de 30 e 35 ºC foram obtidos resultados similares. O melhor desempenho foi alcançado a uma carga aplicada de 15,27 gDQO.L-1.d-1, tempo de ciclo de 8 horas, operação em batelada alimentada e temperatura de 30 ºC. Nessas condições, o sistema atingiu remoção de DQO solúvel de 88,8 %, produtividade de metano de 208,5 molCH4.m-3.d-1 (equivalente a 4672 CNTP-mLCH4.L-1.d-1), rendimento de metano por DQO removida de 15,76 mmolCH4.gDQO-1 e composição de metano de 72% no biogás. O ajuste do modelo cinético demonstrou preferência pela rota hidrogenotrófica na metanogênese em todos os ensaios. Na aproximação em escala plena para o cenário de usina de etanol de cana-de-açúcar com produção de etanol de 150.896 m3.ano-1 foi estimada uma geração de energia de 25.544 MWh.mês-1. / This paper presents an assessment of the methane production in an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) by co-digestion of sugarcane vinasse and cheese whey at mesophilic conditions. The assessment is based on the influence of modifying the operational aspects of feed strategy (batch or fed-batch), interaction between cycle time (8, 6 or 4 h) and influent concentration (5000, 3750 or 2500 mgCOD.L-1), applied volumetric organic load (5, 7.5, 10 or 15 gCOD.L-1.d-1) and temperature (25, 30 and 35 ºC) over the system stability and performance. The AnSBBR with recirculation of the liquid phase and 3.0 L of liquid medium was operated for 186 days, with influent composition for all assays of 75 % vinasse and 25 % whey (mass/volume), also supplemented with sodium bicarbonate. At the operated conditions, the system showed flexibility with regards to the feed strategy, but the reduction of cycle time and influent concentration, for the same organic load, resulted in lower methane productions. On the other hand, increasing organic load, to the value of 15 gCOD.L-1.d-1, favored the process, increasing methane yield and productivity. Temperature reduction from 30 to 25 ºC resulted in performance loss, although at 30 and 35ºC it was achieved similar results. The best performance was achieved at an applied organic load of 15.27 gCOD.L-1.d-1, cycle time of 8 hours, fed batch operation and temperature of 30 ºC. The system achieved soluble COD removal efficiency of 88.8 %, methane productivity of 208.5 gCOD.L-1.d-1 (equal to 4672 STP-mLCH4.L-1.d-1), methane yield per removed organic matter of 15.76 mmolCH4.gCOD-1 and methane composition of 72% of the biogas. The kinetic model fit showed preference for the hydrogenotrophic route in the methanogenesis. At the full scale approximation considering a scenario with a sugarcane ethanol plant with ethanol production of 150,896 m3.year-1 it was estimated an energy production of 25,544 MWh.month-1.

Vinasse, a wastewater rich in organic matter, nutrient and water, is commonly used for fertigation of sugarcane plantation. However, this practice is questionable in the environmental sphere because of problems, such as contamination of groundwater and greenhouse gases emission. Researchers have sought for alternatives that use vinasse in a more sustainable way, e.g., biorefineries that recover resources. In general, the pathways considered are the concentration technologies to reclaim water and nutrient, and the anaerobic digestion (AD) to produce biogas. This thesis reports on a study of five designs of vinasse biorefineries that incorporate anaerobic bioreactors followed by a concentration technology (evaporation (EV), reverse osmosis (RO) or forward osmosis (FO)). Different forms of regeneration of the draw solution (DS) namely evaporation, reverse osmosis and membrane distillation (MD) were also analyzed. The alternatives were compared through an exergy analysis, a method that evaluates efficiency in the conversion of resources by systems. The results showed Alternative 2 (anaerobic digestion + reverse osmosis) was the most efficient (64%), since the treatment of 491.76 m3 vinasse h-1 (exergy content of 60513.8 kW) to recover 80% of water reduced 76% of external water requirement and generated 12% more electricity (2601 kW exergy) for the industry. / O desenvolvimento de biorrefinarias voltadas à recuperação de recursos é uma tendência crescente que visa promover sistemas alternativos para obtenção de energia e materiais de forma mais sustentável. Dentro deste conceito está o aproveitamento da vinhaça das indústrias de cana-de-açúcar de modo a recuperar água, nutrientes e energia como produtos de interesse. Para isso, é necessário avaliar as possíveis configurações tecnológicas voltadas a este objetivo. No presente trabalho, foram estudados cinco designs de biorrefinaria de vinhaça incorporando uma rota de produção de metano, formada pelo processo de digestão anaeróbia, e uma forma de concentração do efluente. Os métodos para obtenção de água foram evaporação, osmose reversa e osmose direta. Neste último, foram analisadas diferentes formas de regeneração da solução de separação: evaporação, osmose reversa e destilação por membranas. A comparação das alternativas de biorrefinaria foi feita pelo método da análise de exergia, que atua na avaliação da eficiência de conversão dos recursos em sistemas. Esta ferramenta possui como medida base o trabalho útil que pode ser obtido a partir das correntes envolvidas no processo. Desta forma, observou-se que tecnologias que empregam calor como energia de entrada tendem a ser menos eficientes do que as que empregam eletricidade. Neste caso, as alternativas com processo de osmose reversa apresentaram maiores eficiências exergéticas, por exemplo, ao se recuperar 70% de água, sua eficiência seria de 64%. Portanto, sugere-se que a digestão anaeróbia da vinhaça seguida da concentração por osmose reversa seria a configuração mais interessante para concepção de uma biorrefinaria de vinhaça.